電動汽車充電的高精度直流電流計量

德勤 2020 年的一份報告預(yù)測，電動汽車總銷量將從 2020 年的 250 萬輛增長到 2025 年的 1120 萬輛，到 2030 年達到 3110 萬輛，這十年的復(fù)合年增長率為 29%。這意味著電動汽車將占據(jù)新車銷售總市場份額的近三分之一。這將需要對充電站進行巨額投資，消費者將要求直流測量的準(zhǔn)確性和可靠性——這將調(diào)節(jié)他們必須支付的金額——受到嚴(yán)格的監(jiān)管和控制。德國領(lǐng)先的電力儀表公司 Zes Zimmer 正與丹麥電流傳感傳感器公司 Danisense 合作，提供精密直流計量解決方案。

隨著電動汽車的普及，電動汽車充電站正在激增。在德國，城鎮(zhèn)有許多充電站，工作場所也越來越多。已經(jīng)有可提供高達 350 kW 的充電站。客戶需要能夠依賴傳輸?shù)闹绷髂芰繙y量的準(zhǔn)確性，因為消耗的能量與計費之間存在直接聯(lián)系。

2020 年初，德國標(biāo)準(zhǔn)組織 VDE 與功率分析領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者之一 Zes Zimmer 進行了接洽，該組織致力于確保對電動汽車充電站中使用的直流電表進行適當(dāng)?shù)尿炞C、校準(zhǔn)和認(rèn)證。 Zes Zimmer 已經(jīng)提供了可精確測量高達 32 A 的儀器，但對于范圍為數(shù)百千瓦的大型裝置，要求測量更大的電流，在幾百安培的范圍內(nèi)。這需要使用外部電流傳感器。

圖 1：使用 Zes Zimmer LMG641 功率分析儀的測量設(shè)置

圖 1 顯示了使用 Zes Zimmer LMG641 功率分析儀和 Danisense 的外部 DS600 電流檢測傳感器的測量設(shè)置。為了校準(zhǔn)直流電表，電源由精密 PSU 生成，并同時饋入電表和參考功率分析儀。此外，電能表的脈沖輸出連接到 LMG600 的外部周期輸入，允許分析儀將電壓、電流、功率和能量的測量周期與電能表的脈沖同步。由于外部周期輸入以超過 5 MHz 的頻率進行采樣，因此將可靠且精確地捕獲脈沖。

一旦脈沖間隔與功率分析儀的測量周期同步，就可以記錄它們的長度。結(jié)合使用高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確的直流電源，可以簡單地驗證間隔的準(zhǔn)確性，從而簡單地驗證計算的能量。Zes Zimmer 的 LMG600 功率分析儀允許定制 GUI 以模擬特定應(yīng)用。該 GUI 可以從內(nèi)置腳本編輯器中獲取值，并僅顯示與應(yīng)用程序相關(guān)的參數(shù)。圖 2 顯示了一個示例。

圖 2：圖形用戶界面示例

就其本身而言，LMG600 系列可在 500 μA 至 32 Arms 的電流輸入范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的直流測量。為了擴展這個電流輸入范圍，Zes Zimmer 與 Danisense 合作?；诹阃吭?，Danisense 電流傳感器可提供低至 1 ppm 的測量精度，Zes Zimmer LMG600 功率分析儀和 Danisense DS600 的組合形成了一個高精度且易于使用的校準(zhǔn)測試系統(tǒng)。

有許多不同類型的電流測量技術(shù)，從基本的分流器和霍爾效應(yīng)器件到更復(fù)雜的系統(tǒng)。決定因素通常是所需的精度，簡單的設(shè)備無法提供高精度。Danisense 專有磁通門是一種閉環(huán)補償技術(shù)，具有固定勵磁頻率和二次諧波零磁通檢測 ［A1］（圖 3）。它將復(fù)雜的磁性能與先進的信號處理相結(jié)合，通過使用二次諧波，可以提取信號以提供對導(dǎo)體中電流的測量，并將其直流電流值測量到極高的水平，非?？芍貜?fù)。此外，Danisense 采用雙平衡磁通門結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將兩個磁芯對置，在概念上類似于惠斯通電橋。這提供了自然補償，消除了溫度等環(huán)境條件造成的任何漂移的影響。如果在傳感器升溫時驅(qū)動幾百安培的直流電流一段時間，這一點很重要。因此，溫度穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖 3：具有固定勵磁頻率和二次諧波零磁通檢測的閉環(huán)補償技術(shù) ［A2］

Zes Zimmer 提供具有內(nèi)置智能功能的電纜，以方便 Danisense 電流傳感器的簡單設(shè)置，例如圖 4 中所示的 DS600，Zes Zimmer 以 Plug‘n’Measure PCT600 銷售，它可以自動識別連接的傳感器類型和LMG600電流輸入的配置。功率分析儀將自動讀取和使用每個重要參數(shù)，例如精確比例因子、延遲補償變量、最后校準(zhǔn)日期和傳感器類型。此外，傳感器通過 LMG600 主動供電，因此不需要單獨的電源。Danisense 提供一系列產(chǎn)品，可將電流測量擴展到 2，000 Arms（3，000 A 峰值或直流）甚至更高。

Zes Zimmer 功率分析儀與 Danisense 傳感器相結(jié)合，正被 VDE 等機構(gòu)用于現(xiàn)場測試安裝在 EV 充電站的直流電表是否符合 Eichrecht 一致性等標(biāo)準(zhǔn)。E-VDE-AR-E 2418-3-100。直流電表制造商也使用它們進行預(yù)合規(guī)性測試，然后再將它們送去進行獨立認(rèn)證，以確保它們獲得積極的結(jié)果。因此，通過 Zes Zimmer 和 Danisense 之間的合作，不需要額外的設(shè)備并且所有設(shè)置都得到了簡化和匹配，這一事實非常有用。

直流微電網(wǎng)

另一個需要類似方法的應(yīng)用是 1，500V 直流微電網(wǎng)。例如，在風(fēng)能或太陽能發(fā)電的應(yīng)用中，為什么要轉(zhuǎn)換為交流電？為什么不直接使用直流電源？據(jù)預(yù)測，未來的房屋將在 DC 上運行，從而帶來顯著的效率優(yōu)勢。如果車輛在一夜之間在車庫中充電，這可能特別有價值。這導(dǎo)致了一個稱為直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)。高壓交流電網(wǎng)仍然存在，但在它旁邊，一個直流電箱連接到直流發(fā)電機，主要是可再生能源發(fā)電機和消費產(chǎn)品。同樣，此類系統(tǒng)的測試、校準(zhǔn)和認(rèn)證需要高精度、穩(wěn)定的直流電流測量。

建立客戶對電動汽車充電站和其他能源系統(tǒng)中使用的直流電表高度準(zhǔn)確并定期校準(zhǔn)的信任和信心至關(guān)重要。Zes Zimmer 功率分析儀和 Danisense 電流檢測傳感器的組合提供了精確、穩(wěn)定、可重復(fù)且易于使用的測量。這就是 VDE 等知名機構(gòu)使用這種方法的原因。

作者：Loic Moreau 和 Patrick Fuchs